離心機(jī)幾種轉(zhuǎn)速測量方法的比較

/ 上海市計量測試技術(shù)研究院

0 引言

轉(zhuǎn)速是離心機(jī)非常重要的技術(shù)參數(shù)，離心力的大小與轉(zhuǎn)速成正比。如果轉(zhuǎn)速達(dá)不到規(guī)定要求，樣本就不能被徹底分離，所以離心機(jī)轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確與否直接影響樣本的檢驗。離心機(jī)有很多種類，本文探討的是實驗室離心機(jī)的轉(zhuǎn)速測量。按照國標(biāo)GB/T 30099-2013對實驗室離心機(jī)的分類方式，離心機(jī)按轉(zhuǎn)速可分為低速離心機(jī)、高速離心機(jī)和超速離心機(jī)。低速離心機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍小于等于10 000 r/min，最大允許誤差±2.5%。高速離心機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍小于等于30 000 r/min，最大允許誤差±1%。離心機(jī)的轉(zhuǎn)速一般用光電測量法進(jìn)行非接觸式測量，因為很多離心機(jī)上蓋有觀察孔可以接收轉(zhuǎn)速表的光電信號。觀察孔能透過光源并且可以通過其觀察離心機(jī)的工作情況。如果沒有觀察孔，測量離心機(jī)轉(zhuǎn)速時常用的方法是強(qiáng)制打開離心機(jī)上蓋，用光電測量法測量。此種方法的缺點是不安全，容易造成事故，故需要尋找合適的測量方法解決該類離心機(jī)的轉(zhuǎn)速測量問題。

1 測量方法

1.1 帶觀察孔的離心機(jī)轉(zhuǎn)速測量方法

離心機(jī)的轉(zhuǎn)速一般采用光電測量法測量，這是校準(zhǔn)實驗室常用的測量方法，用帶有光電傳感器的電子計數(shù)式轉(zhuǎn)速表測量轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速。在離心機(jī)的主軸或與主軸剛性連接的零部件上貼上反光標(biāo)簽，轉(zhuǎn)速表的光電式轉(zhuǎn)速傳感器通過離心機(jī)上蓋可以透過光源的孔（以下稱為觀察孔）接收到反光標(biāo)簽的反射信號，將機(jī)械旋轉(zhuǎn)頻率轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，通過電子計數(shù)器計數(shù)并顯示相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。此方法有測量方便可靠、響應(yīng)速度快、靈敏度高等優(yōu)點。但是也有測量局限性，有時會受限于離心機(jī)上蓋觀察孔的大小及光電傳感器的光反射角度等原因，使得轉(zhuǎn)速顯示不穩(wěn)定致無法準(zhǔn)確測量。又由于離心機(jī)所有外露的轉(zhuǎn)動件在離心機(jī)工作時有可能會對人體產(chǎn)生危害，為了安全使用離心機(jī)，出廠使用說明書中會有告知旋轉(zhuǎn)時禁止打開上蓋。如果離心機(jī)上蓋沒有觀察孔，光電傳感器就無法探測到旋轉(zhuǎn)信號，所以此方法目前只能測量上蓋帶有觀察孔的實驗室離心機(jī)的轉(zhuǎn)速。

1.2 無觀察孔離心機(jī)轉(zhuǎn)速測量方法的選擇

磁電測量方法是采用電子計數(shù)式轉(zhuǎn)速表與磁電式傳感器測量轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速。在離心機(jī)內(nèi)壁貼有磁體，把磁電式轉(zhuǎn)速傳感器安裝在離心機(jī)轉(zhuǎn)動軸的試管內(nèi)測量轉(zhuǎn)速。此種方法可以測量無觀察孔離心機(jī)的轉(zhuǎn)速，缺點是安裝不方便，抗干擾能力較差，因隨機(jī)誤差較大使得測量結(jié)果不準(zhǔn)確。又由于醫(yī)用離心機(jī)的內(nèi)部污染嚴(yán)重，所以在離心機(jī)內(nèi)部安裝傳感器對校準(zhǔn)人員會帶來健康安全風(fēng)險，故不推薦使用此方法。

因光電式測量和磁電式測量這兩種方法都不適用于無觀察孔離心機(jī)轉(zhuǎn)速的測量，故選擇采用測振方法解決測量問題。用壓電加速度傳感器與相配套的電子計數(shù)式轉(zhuǎn)速表組成測量標(biāo)準(zhǔn)器。其工作原理是壓電加速度傳感器采集離心機(jī)旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的正弦振動信號并轉(zhuǎn)換成電壓信號，電子計數(shù)式轉(zhuǎn)速表將接收到的電壓信號進(jìn)行數(shù)字信號處理（傅立葉變換）后直接顯示轉(zhuǎn)速。此方法是接觸式測量，在測量時可以將傳感器平穩(wěn)可靠地放置在離心機(jī)的上蓋或者能夠正確接受到振動信號的平面，使用方便，可以任意擺放。由于離心機(jī)產(chǎn)生振動的因素不只是由主軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的，還有其他原因會產(chǎn)生振動，導(dǎo)致信號疊加，為了能使轉(zhuǎn)速表正確穩(wěn)定地顯示轉(zhuǎn)速，在測量轉(zhuǎn)速時應(yīng)根據(jù)傳感器得到信號的效果調(diào)整擺放的位置。選用的電子計數(shù)式轉(zhuǎn)速表要有調(diào)節(jié)靈敏度的功能，以便得到最佳測量結(jié)果。

2 振動測量法和光電測量法的實驗比較

2.1 實驗用標(biāo)準(zhǔn)器

比較實驗是通過分別用FT-2500型轉(zhuǎn)速表和HT-5500型轉(zhuǎn)速表測量同一臺離心機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)比較。采用日本小野公司生產(chǎn)的FT-2500型電子計數(shù)式轉(zhuǎn)速表和與該表配套使用的NP-3120型壓電加速度傳感器（以下簡稱振動式轉(zhuǎn)速表），以及HT-5500型手持電子計數(shù)式轉(zhuǎn)速表（以下簡稱手持式轉(zhuǎn)速表），分別對高速離心機(jī)和低速離心機(jī)進(jìn)行測量。

2.2 實驗步驟

在實驗室環(huán)境條件下將離心機(jī)平穩(wěn)地安放在工作臺上，內(nèi)部離心管（杯）內(nèi)的物體對稱放置，以保證離心機(jī)旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)。在離心機(jī)工作前將門蓋密閉蓋好，以免在運行情況下發(fā)生人身傷害事故。

用手持式轉(zhuǎn)速表測量時需在離心機(jī)的旋轉(zhuǎn)體上貼反射標(biāo)簽，啟動離心機(jī)將轉(zhuǎn)速調(diào)整到測量點，用手持式轉(zhuǎn)速表對準(zhǔn)門蓋上的觀察孔，不斷調(diào)整位置直至轉(zhuǎn)速表能穩(wěn)定地接受反射光信號，每個測量點記錄三個數(shù)據(jù)用于數(shù)據(jù)分析。

用振動式轉(zhuǎn)速表測量時將壓電加速度傳感器直接放在離心機(jī)的門蓋上，啟動離心機(jī)將轉(zhuǎn)速調(diào)整到測量點，待轉(zhuǎn)速表顯示穩(wěn)定后讀取三個數(shù)據(jù)。

2.3 實驗數(shù)據(jù)分析

2.3.1 高速離心機(jī)的轉(zhuǎn)速測量

以德國eppendorf公司生產(chǎn)的Centrifuge 5417R型高速離心機(jī)作為被測對象。用手持式轉(zhuǎn)速表和振動式轉(zhuǎn)速表測得的數(shù)據(jù)見表1，比對結(jié)果見表2。

2.3.2 低速離心機(jī)的轉(zhuǎn)速測量

以北京時代北利離心機(jī)有限公司生產(chǎn)的DT5-6型低速離心機(jī)作為被測對象。用以上兩種方法測得的數(shù)據(jù)見表3，比對結(jié)果見表4。

表1 兩種測量方法測得的數(shù)據(jù) 單位：r·min-1

表2 兩種測量方法的比對結(jié)果 單位：r·min-1

表3 兩種測量方法測得的數(shù)據(jù) 單位：r·min-1

表4 兩種測量方法的比對結(jié)果 單位：r·min-1

2.3.3 比對結(jié)果說明

以上兩組比對實驗是基于以常用的0.1級手持電子計數(shù)式轉(zhuǎn)速表作為參考標(biāo)準(zhǔn)，驗證同樣是0.1級的電子計數(shù)式轉(zhuǎn)速表通過振動傳感器測量轉(zhuǎn)速的可靠性。通過比對實驗數(shù)據(jù)可以看出驗證結(jié)果都滿足要求，說明在一般實驗室條件下用振動式轉(zhuǎn)速表測量結(jié)果與用手持式轉(zhuǎn)速表測量的結(jié)果一樣可靠，且振動式轉(zhuǎn)速表響應(yīng)速度更快。

3 結(jié)語

受制于國內(nèi)儀器儀表的發(fā)展，目前轉(zhuǎn)速校準(zhǔn)實驗室基本沒有使用振動測量法測量離心機(jī)轉(zhuǎn)速。從實驗結(jié)果看振動式轉(zhuǎn)速表測量完全滿足校準(zhǔn)要求，因振動傳感器可以不接觸離心機(jī)的內(nèi)腔，所以用此方法測量既干凈衛(wèi)生又使用方便，可以廣泛用于無觀察孔離心機(jī)和受污染離心機(jī)的校準(zhǔn)。